板式相变储能单元的蓄热特性及其优化 附相变储能技术分析及材料应用.docx

摘要：本文以板式相变储能单元为研究对象、石蜡作为相变材料，探究了 不同单元结构内板式相变储能单元的蓄热过程，综合考虑相变储能单元中热电偶 的布置、相变储能单元的宽高比及厚度的影响，对相变蓄热过程的换热效率进行 了分析与讨论。结果表明：测点热电偶会加快石蜡熔化过程；液相材料内的自然对流加速了 石蜡的熔化进程，使相变储能单元上部区域熔化速率高于下部区域；受浮升力以 及换热面积的共同影响，宽高比为3 ： 1的相变储能单元熔化速率最快，宽高比 为2 ： 3的储能单元熔化速率最慢；石蜡熔化总时长随厚度的增加呈抛物线形式 增长。经济性分析表明，宽高比为3： 1、厚度为30 mm的相变储能单元为最优 结构。关键词：相变储能单元；自然对流；熔化过程；经济性分近年来，为了弥补能源供需在数量、形态和空间上的差异，相变储能技术被 广泛应用于余热回收、采暖空调、电力移峰填谷及太阳能存储等领域，而相变储 能单元作为储能系统的关键部件直接影响系统的运行效率，其传热性能与蓄热单 元的外形结构息息相关，研究储能单元结构对传热特性的影响将有助于设计更高 效的相变储能系统，进而解决能源供需不平衡的矛盾。常用的相变储能单元结构 包括板式和壳管式。Vyshak等对比研究了板式和壳管式储能单元内相变材料的 蓄热过程，发现板式结构内的熔化时间明显少于壳管式结构内的熔化时间。 Fuentes等研究了石蜡类相变材料在板式储能单元内的熔化过程，发现考虑自然 对流时，相变材料的熔化热流为纯导热热流的3倍，而液相材料自然对流的作用 受多重因素影响，除相变材料自身物性外，主要受边界条件、封装结构和安装倾 斜角的影响。Kamkari等发现板式储能单元内竖直热流方向的自然对流强度大于 水平热流方向的强度，因此有必要研究板式储能单元的宽高比对蓄热过程的影 响。Semma等研究了金属钱在底部加热的板式封装空间内的熔化过程，发现自 然对流强度随封装空间有效宽高比的减小而增强，但Qarnia等在研究石蜡在侧 面加热的熔化过程时发现自然对流强度随板式储能单元宽高比的减小而减弱。上 述研究表明相变储能单元的结构与内部自然对流是影响相变传热效率的两个重 要因素，且内部自然对流随储能单元的结构改变发生变化，相变传热过程较为复 杂，目前对板式相变储能单元蓄热特性的研究及结构优化仍不完善。为进一步深 入研究熔化过程中相变材料的传热特性，本文开展了板式相变储能单元的可视化 实验，分析自然对流、热电偶布置、储能单元宽高比和厚度对石蜡熔化过程的影 响，为相变储能装置的优化提供理论依据。1板式相变储能单元的换热性能测试实验平台1.1 实验材料石蜡具有无毒、无腐蚀性、成本相对较低等优点，被广泛用于相变储能系统。 本文采用石蜡的热物性参数见表1,实验所用的相变储能单元采用厚度为2 mm 的亚克力板制作，其透光率达到92%以上，可方便观测熔化过程中固-液相界面 的变化。表1石蜡热物性参数材料 相变热导率/W（mK尸密度/kg,m-3 比热容/吐（1。（2尸名称 温度/固态液态固态液态固态液态石蜡 22.132.50.360.168507652.152.301.2 实验方案本研究中相变储能单元的熔化实验主要分为A、B两组，两组实验的相变材 料种类和体积、边界条件、宽高比和厚度均相同，具体参数见表2；但A组实验 采用热电偶和红外热像仪同时测量相变材料熔化过程的温度变化，B组仅采用红 外热像仪测温，对比热电偶对熔化传热过程的影响。表2实验方案石蜡质量/kg边界条件宽高比12345厚度/mm0.63250 恒温 1 ： 3 2 ： 33 ： 33 ： 2 3 ： 120不同宽高比下的相变储能单元尺寸见表3,注入提前加热至50 c的液相石 蜡，后用橡胶塞密封顶部灌注孔。考虑石蜡熔化时的体积膨胀，在石蜡上方均预 留20 mm的膨胀空间，其中宽高比指充注的相变材料的宽高比。A组实验中热 电偶的具体布置如图1所示，为保证测得数据的准确性，同一测点高度处取两列 测点的平均值为该高度下的温度值。石蜡内部和外壁面的温度变化情况采用热电 偶测定，每秒采集一次数据；相变储能单元表面温度分布采用红外热像仪测温, 每20 min采集一次数据，同时记录固-液相界面的位置，直至所有材料完成熔化 过程。表3不同宽高比下相变储能单元尺寸45 3524O20O 2 2 5 62 5 6 320 20 20 O 2 20 厚图1热电偶布置（单位:mm）2相变储能单元的蓄能测试实验2.1 相变材料内部温度变化测试开始前将相变材料冷却至12 C左右，保证熔化测试时所有石蜡均为固 相状态。实验开始时，将相变储能单元放置于温度为50 的恒温环境室中，A 组实验中各测点温度随时间的变化情况如图2所示。在实验测试的前40 min内, 相变储能单元外壁面温度迅速上升，高温壁面与石蜡之间的热传导使得储能单元 内的石蜡温度迅速上升，但受熔化过程石蜡内部热阻的影响，石蜡温度上升速度 小于壁面温度上升速度。当相变材料温度上升至25 C时，石蜡中的各测点温度 趋于平稳，石蜡熔化吸收大量潜热；受石蜡等温熔化蓄热过程的影响，外壁面温 度上升过程亦趋于平缓，保持与石蜡材料等值的温差逐渐升高。石蜡完全熔化后, 液相石蜡材料温度迅速上升吸收和储存显热，逐渐接近各测点对应的壁面温度。115 min78 min ：110 min122 min牙瑁内室壁构壁97 min130 min60 80 100 120 140 160 180 200 220时间/min(a)Al(l ： 3)0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220时间min(c)A3 (3 ： 3)602040305()X)60 80 100120 140 160180 200 220时间/min(b)A2 (2 ： 3)0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 时间/min(d) A4(3 ： 2)20P 40西301001020 40 60 80 100 12() 140 160 180 200 220 时间，min(e)A5(3 : 1)504()朝怎20图2蓄热过程各测点温度随时间的变化曲线止匕外，各测点处对应的相变材料熔化时长如图2所示，其中熔化开始时刻和 结束时刻为温度曲线切线交点处对应的时刻，各上部测点处的熔化时长均小于下 部测点处的熔化时长。如图2(b)中，上部测点熔化时长为97 min,而下部测点熔 化时长为130 min。这可能是由于：相变储能单元内顶部预留的20 mm膨胀空 间中含有空气，加热升温过程中空气温度迅速上升，因其比热容LOI kJ/(kg-) 小于固相石蜡的比热容2.15kJ/(kg),空气的温度大于固相石蜡的温度，热 空气加速了上部固相石蜡的熔化；测试开始时紧贴壁面的固相石蜡熔化，熔化 后的液相石蜡温度升高，在温度差和密度差的作用下液相材料上升，加速上部固 相材料的熔化；熔化后的液相材料在储能单元上部聚集，并在液相材料内部产生 自然对流，进一步加速固-液相界面处固相材料的熔化；液相材料上升时固相 材料下沉，下测点处蓄热过程主要以固相材料的导热传热为主，传热速率较低。2.2 相变材料蓄热过程液相率变化由上述热电偶测温曲线的变化规律可知，相同体积的相变材料在不同宽高比 的储能单元中的熔化时间各不相同。为探究不同宽高比对石蜡熔化速率的影响, 采用绘图软件读取所拍摄照片的直方图数据，并以像素为单位计算不同拍摄时刻 下的固相石蜡体积，最终获得石蜡蓄热过程液相率随时间的变化规律。图3为 Bl(l ： 3)储能单元内相变材料熔化过程中相界面与液相率的变化。如图所示，熔 化过程中固-液相界面呈现从上到下、由外到内的变化规律。储能单元中石蜡的 蓄热过程主要分为4个阶段。熔化初期近壁面处石蜡处于固相状态，外部环境 热量通过储能单元壁面传至固相石蜡，紧贴壁面的固相石蜡熔化并在壁面处形成一层液相石蜡薄膜，该层薄膜黏附在储能单元壁面上，该过程持续20 min；固- 液相界面正视图为标准矩形，四个矩形角均为90。直角；由于固态石蜡的热导率 较小，加之液相薄膜形成的热阻，该阶段熔化速率较小，以导热为主。随着熔 化的进行，液相石蜡逐渐增多，靠近壁面处的液相石蜡温度迅速升高，密度减小, 在固相材料和液相薄膜之间开始上升流动；受液相材料流动的影响，固-液相界 面上部直接逐渐变为带一定弧度的拐角。同时，高温的液相石蜡聚集在储能单元 上部，减小了顶部膨胀空间内空气与石蜡之间的传热温差，削弱了顶部空气对石 蜡熔化速率的影响。该阶段为自然对流主导阶段，加快了石蜡的熔化，此过程持 续至120 min。在120180 min时段，随着石蜡的进一步熔化，相界面顶部拐 角弧度进一步变大。此过程中固、液石蜡出现了明显分层，温度梯度逐渐减小, 自然对流作用减弱，熔化速率减小，该阶段为自然对流减弱阶段。180 min后 为熔化末期，此时段液相石蜡占据大部分储能单元区域，传热温差小且固相材料N4060800020406080200（a）各时刻相界面（b）不同时刻下的液相率正视图图3 Bl（l ： 3）在不同时刻下的相界面正视图及液相率2.3 热电偶对相变材料蓄热过程的影响实验采用的热电偶为铜-康铜组成的T型热电偶，虽表面包有绝缘层，但金 属材质的热电偶因其导热性能优越，温度上升较快，实验观察到紧贴热电偶的相 变材料出现局部优先熔化现象，如图4所示。为探明热电偶对相变材料蓄热过程 的影响，本文设置B组对照实验，但仅采用红外热像仪测量储能单元表面温度 变化。由图4可知在同一时刻下，B组测试中的固相石蜡体积比A组测试中的 石蜡体积大约49 cm3,即A组中实验中的石蜡熔化速度较快，即热电偶加速了 石蜡的熔化过程。不同宽高比下相变储能单元A、B两组实验中石蜡完成熔化过 程需要的时长见表4,不同结构下A组完成熔化所需的时间均小于相同条件下B 组完成熔化所需的时间，平均减少约13 min。图4宽高比为3 ： 2的相变储能测试时刻为120 min的相界面位置对比表4 A、B两组实验石蜡完成熔化过程所需的时长宽高比热电偶1 ： 32 ： 33 ： 33 ： 23 ： 1A组熔化历时/min有210230220210190B组熔化历时/min无2202502302252002.4 储能单元不同宽高比对蓄能过程的影响不同时刻下的液相率如图5所示，在相同体积的情况下，不同宽高比相变储 能单元内材料完成熔化过程所需时间从短到长依次为B5（3 ： 1）、Bl（l ： 3）、 B4（3 ： 2）、B3（3 ： 3）和 B2（2 ： 3）。宽高比相反的 B5（3 ： 1）和 Bl（l ： 3）相比,B5 储能单元中材料熔化所需的时间更短，这是由于B5的底面积较大，液相材料上 升导致固相石蜡沉至容器底部，加速底部固相材料的熔化，同理可知B4储能单 元中材料熔化速度大于B2储能单元中的熔化速度。Bl（l ： 3）储能单元与 B3（3 ： 3）储能单元相比，熔化时长较短，由于在相同体积的情况下，B1储能单 元的表面积最大，B3的表面积最小，因此B1储能单元中材料熔化速度较快。此 外，熔化过程中由密度差和温度差产生的浮升力随储能单元高度的增大而增大， 储能单元越高浮升力越大，即液相材料内的自然对流传热作用越强，故B1储能 单元内的熔化速度大于B4储能单元内的熔化速度。不同宽高比的储能单元内石 蜡完成熔化过程需要的具体时长见图5,其中B5（3 ： 1）储能单元内材料完全熔化 所需时间最短为200 min,B2（2 ： 3）储能单元内材料完全熔化所需时间最长为250 min。1.00.8格0.6箕蟆0.40.2-Bl(l:3)B2(2:3)-B3(3:3)B4(3:2)B5(3:l)时间/min图5不同宽高比的相变单元液相率随时间变化2.5 储能单元不同厚度对蓄能过程的影响上述实验结果表明宽高比为3 ： 1的相变储能单元内石蜡熔化速度最快。为 了进一步探究储能单元结构对石蜡熔化快慢的影响，设计相变材料质量相同、宽 高比为3：1、厚度不同的相变储能单元，具体的相变储能单元参数见表5。表5不同厚度相变储能单元结构尺寸编号ClC2C3C4宽/mm345283245220高/mm13511410293厚/mm20304050图6为不同厚度的相变储能单元内材料熔化过程液相率随时间的变化。从图 中可知，厚度为20mm、30 mm> 40 mm> 50 mm的石蜡完全熔化所需时间分别 为200 min、212 min、220 min、242 min。熔化过程中石蜡液相率和储能单元厚 度负相关，即在相同的体积和宽高比条件下，储能单元厚度越小，熔化的速度越 快。但相变储能单元厚度越小，储存相同体积的相变材料所需的成本越大，因此 在大规模使用时，不仅要关注熔化速率，同时还要考虑其经济性。图6不同厚度的相变单元液相率随时间变化为评价储能单元的经济性，不 同厚度相变储能单元的成本与熔化速率的关系如图7所示。本文中各相变单元内 石蜡的储能量均为1.46x105 J,储能单元材料单价为0.0002元/mm?。不同厚度储 能单元的熔化速率及各储能单元外壳的价格见表6。从图中可知，相变储能单元 成本越高，石蜡熔化速率越快,但熔化速率提升速度随着成本的增加而不断减小。 当厚度从30 mm降至20 mm时，成本增加近1/3,而熔化速率仅增大3%。因此, 对于大规模生产，宜采用宽高比为3 ： 1、厚度为30 mm的相变储能单元。另外, 对于其他材料的储能单元，由于材料单位价格的不同会导致其计算结果与本实验 存在差异。图7不同厚度相变单元的成本与熔化时长的关系表6 C组熔化实验的熔化速率和成本厚度/mm相变材料(石蜡)相变单元外壳(亚克力板)熔化时长/min熔化速率/W表面积/ 104mm2成本/元个72020012.1811.2322.473021211.798.8317.674022011.077.7715.555024210.067.2214.441211芸/树«装101416182022成本/元3结论本工实验研究了板式相变储能单元中石蜡的熔化特性，并着重分析了相变单 元中热电偶、不同宽高比和不同厚度对石蜡熔化的影响，结论如下。(1)石蜡熔化过程伴随着内部液相石蜡的自然对流，自然对流加速了石蜡 熔化的进程，使得上部区域熔化速率大于下部区域熔化速率。(2)石蜡熔化传热过程分为四个阶段，熔化初期的导热传热阶段、自然对 流主导阶段、自然对流减弱阶段和熔化末期的接触传热阶段。(3)测温元件的高导热性会加速相变材料的熔化过程，导致测量的熔化传 热速率偏大。(4)受浮升力和换热面积的双重影响，宽高比为3 ： 1的相变储能单元内石 蜡熔化最快，2： 3的储能单元内石蜡熔化最慢。(5)相同的体积下，石蜡完成熔化过程需要的时间随石蜡的厚度减小而降 低，但厚度的减小导致相变储能单元制作成本增加。通过经济性分析可知，30 mm 厚、宽高比为3 ： 1的相变储能单元为最优结构。相变储能技术分析及材料应用摘要：本文主要介绍了相变储能技术，以及在相变储能技术方面材料的应 用分类与特性分析，分析认为，相变储能技术在能源电力、工农业生产、改善发 动机性能、纺织品材料及航空航天等领域都具有非常广泛的应用价值，值得研究。关键词：相变储能；节约能源相变储能技术是一种基于材料相变过程吸或放热而实现能量储存的技术，已 广泛应用在工业企业能量回收领域。相变储能材料是指在指定温度或温度范围 （相变温度）下不仅能发生物质相态变化，而且可以吸收或放出大量相变潜热的 具有特定功能的物质，既可用来储热，也可以用来蓄冷。相变储能与显热储能相 比，具有高的储能密度，且储能放能是容易控制且接近等温的过程，因此非常适 于解决能量供给难题与需求失衡难题。对于提高能源利用率，改善能源结构，具 有重大章文。1编变储能技术的应用1.1 相变储能技术在功能性混凝土中的应用混凝土在养护过程中容易产生温度裂缝，作为建筑的围护结构隔热保温性能 差，混凝土路面中受冻融破坏而影响耐久性。将相变储能材料加入混凝土中制备 相变储能混凝土，相变储能材料依靠潜热储能方式实现能量在时间和空间的转移 利用，相变储能材料和混凝土结合形成相变控温大体积混凝土、相变储能混凝土 围护结构、相变控温混凝土道路，可以实现混凝土制品功能结构一体化。1.2 相变储能技术在电力调峰中的工程应用研究发现，电热相变蓄热装置体积小，寿命周期成本低，投资回收年限短， 应为蓄热式电采暖的首选形式。在需求方面，相变储能技术对于实行峰谷电价， 是强有力的技术保证，与此同时，对于促进谷期电力消费和调峰，该技术是非常 实用的可行性方式。2相变储能材料的研究分析2.1 相变储能材料的分类与性能要求相变储能材料的分类方法多种多样，依据化学组成分类，可分为无机材料和 有机材料以及混合相变材料3大类；依据储能的温度范围分类，可分为高温、中 温及低温等类型；储能过程中，依据材料相态的变化分类，又可分为固、液相变 储能和固、固相变储能两大类。目前仍在研究新型材料以更好的适用于相变储能 技术，但在研究过程中应基于以下要求：（1）具有合适的相变温度、相变潜热和导热性能；（2）具有较快的结晶速度和晶体生长速度，不会发生熔析现象，且无毒、 不易燃，不会使相变介质化学成分发生变化；（3）体积膨胀率小、蒸汽压低且密度较大；（4）原料易得、价格便宜。2.2 相变储能材料在建筑中的应用“论建筑节能中相变储能材料的运用”一文介绍到在常用的建筑材料中加入 相变材料，可以制作墙体、底板等建筑围护材料。根据目前的研究与应用，制备 建筑围护材料大多采用有机类相变储能材料，如添加脂肪烧或脂肪酸类、多元醇 类等。脂肪烧或脂肪酸类是固-液相变材料，需要进行封装。多元醇类是固-固相 变材料，通过晶型转换进行储能和释能。把相变储能材料加入石膏、混凝土等基 础建材即可制备成相变储热建筑围护材料。3相变储能方式同其他储能方式的比较同其他储能方式比较，相变储能方式有以下优点：(1)相变储能材料相变时体积变化较小，且能量密度高，可在较小的空间 储存较大的能量；(2)可重复利用，性能较稳定；(3)物质相变时在等温或接近等温的条件下发生，因此在蓄热和放能的过 程中，温度和热流基本恒定。与此同时，相变储能方式同其他储能方式比较，其研究起步晚，技术还不成 熟，仍存在许多缺点，比如：有些相变储能材料在多次利用后性能会发生改变， 无法继续使用，此外相变储能材料成本相对较高，是目前利用的一大难题。4总结人们越来越重视相变储能技术的节能性、环保性及经济性。因此，我们应更 加注重该技术的创造研发，争取在航天事业、公路交通、纺织制造、农牧事业、 能源结构、发动机技术等方面取得更大的进步。相变材料有很好的储能效果，并且在建筑节能中有了很好的应用，减少能源 消耗，使室内环境得到改善。由于相变储能材料的发展应用时间不是很长，因此 还需要提高重视程度，积极开发与研究，相信未来相变储能材料有很好的发展前 景，应用范围会越来越广。参考文献：王永川，陈光明，张海峰，洪峰,相变储能材料及其实际应用.肖栋天，石发恩.相变储能技术在功能性混凝土中的应用.3张仁元，柯秀芳，秦红.相变储能技术在电力调峰中的工程应用.4梁恩才.论建筑节能中相变储能材料的运用.